ВЛИЯНИЕ АЗОТИРОВАНИЯ НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ИМПЛАНТИРУЕМЫХ МЕДИЦИНСКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

THE EFFECT OF NITRIDING ON THE TRIBOTECHNICAL BEHAVIOR OF IMPLANTABLE MEDICAL METAL MATERIALS

Reshetnikov Daniil Sergeevich

Student, Faculty of New Materials and Production Technologies, Moscow Aviation Institute,

Russia, Moscow

Barukhov Sergey Alekseevich

Student, Faculty of New Materials and Production Technologies, Moscow Aviation Institute,

Russia, Moscow

Petrova Polina Pavlovna

Student, Department of Innovation Management, Moscow Aviation Institute,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В статье представлен аналитический обзор литературных источников, посвящённый изучению влияния азотирования на триботехническое поведение имплантируемых медицинских металлических материалов. Цель работы — систематизировать современные данные о том, как азотирование изменяет ключевые трибологические характеристики биомедицинских сплавов. В ходе исследования были рассмотрены: основные методы азотирования, взаимосвязь процесса с формированием поверхностного слоя и его свойствами, вопросы биосовместимости и потенциальных рисков, связанных с азотированным слоем. Полученные результаты позволяют: выявить наиболее эффективные режимы азотирования для повышения износостойкости имплантатов, обозначить недостатки в современных исследованиях, определить перспективные направления оптимизации. Выводы статьи могут быть полезны разработчикам медицинских изделий и специалистам в области поверхностной инженерии биоматериалов.

ABSTRACT

The article presents an analytical review of literary sources devoted to the study of the effect of nitriding on the tribotechnical behavior of implantable medical metal materials. The aim of the work is to systematize modern data on how nitriding changes the key tribological characteristics of biomedical alloys. The study examined: the main methods of nitriding, the relationship of the process with the formation of the surface layer and its properties, issues of biocompatibility and potential risks associated with the nitrided layer. The results obtained make it possible to identify the most effective nitriding modes to increase the wear resistance of implants, identify shortcomings in modern research, and identify promising areas for optimization. The conclusions of the article may be useful to medical device developers and specialists in the field of biomaterial surface engineering.

Ключевые слова: азотирование, триботехническое поведение, имплантируемые медицинские материалы, биомедицинские сплавы, свойства поверхностного слоя, биосовместимость, износостойкость имплантатов.

Keywords: nitriding, tribotechnical behavior, implantable medical materials, biomedical alloys, surface layer properties, biocompatibility, wear resistance of implants.

Азотирование — это процесс химико-термической обработки, при котором поверхностный слой металла насыщают азотом (обычно не более 0,4–0,6 мм). В результате формируются нитриды, которые увеличивают твёрдость, износостойкость и коррозионную устойчивость изделия [1].

Принцип работы: при нагреве до рабочей температуры атомы азота проникают в поверхностный слой металла и вступают в химическое взаимодействие с легирующими элементами. В результате формируется составной слой, состоящий из двух зон: внешняя зона — белый слой толщиной 10–30 микрометров, под ним — диффузионная зона, где азот присутствует в виде твёрдого раствора и мелкодисперсных нитридов легирующих элементов [1].

Некоторые методы азотирования имплантатов:

• Низкотемпературное азотирование (НА) — процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя сплавов азотом при сравнительно низких температурах (500–600°С). Используется для модифицирования несущей поверхности из технически чистого титана для эндопротезов суставов. Например, сплав титана технической чистоты ВТ 1-0 подвергают предварительной пластической деформации с последующим низкотемпературным азотированием, чтобы придать поверхностной зоне импланта необходимые показатели модуля упругости, сопоставимые с модулем упругости костной ткани человека [2, 3].
• Вакуумное ионно-плазменное азотирование (ВИПА) — Применяется для повышения износостойкости компонентов эндопротезов из титановых сплавов, функционирующих в условиях трения при высоких контактных нагрузках. Осуществляется при температурах 500–600°С ионами с первичной энергией от 60 до 200 эВ [4].
• Термодиффузионное насыщение азотом из газовой среды – Детали выдерживаются при высокой температуре (800–1200°С) в течение длительного времени (от 20–30 до 100 часов) [2, 3].

Низкотемпературное азотирование улучшает следующие характеристики изделия:

1. Износостойкость. Насыщение поверхностного слоя азотом улучшает антифрикционные свойства титана и его сплавов. Например, в некоторых исследованиях отмечается снижение интенсивности износа азотированного образца в паре с закалённой сталью У8 по сравнению с неазотированным (0,004 мг/м) при существенном снижении коэффициента трения (с 0,5 до 0,2–0,3).
2. Создание упрочненного поверхностного слоя. Азотирование формирует нитридный слой, который повышает твёрдость и износостойкость
3. Сохранение структуры в объёме материала. Например, низкотемпературное азотирование позволяет сохранить структуру, предварительно сформированную с помощью методов интенсивной пластической деформации.
4. Возможность варьировать свойства азотированного слоя. Это позволяет, например, создавать градиентные поверхностные структуры, которые обеспечивают высокую износостойкость и сопротивление усталости [5].

Из недостатков можно выделить:

1. Получение тонких упрочнённых слоёв. Это связано с низкими температурами процесса (низкой диффузией насыщающего элемента). Для деталей, работающих в условиях значительного износа или сильной коррозионно-агрессивной среды, тонкие упрочнённые слои могут быть недостаточными.
2. Недостаточная адгезия глубоких упрочнённых слоёв. Получение глубоких упрочнённых слоёв может привести к их недостаточной адгезии с матрицей материала и охрупчиванию слоя.
3. Сложность регулирования фазового состава получаемого покрытия. Основные параметры, регулирующие фазовый состав: температура и состав насыщающей среды, но контроль состава сложен.
4. Уменьшение усталостной прочности. Твёрдый упрочнённый поверхностный слой в сочетании с относительно мягкой основой может привести к уменьшению усталостной прочности вследствие появления остаточных растягивающих напряжений [6].

ВИПА улучшает следующие свойства изделия:

1. Износостойкость компонентов эндопротезов из титановых сплавов в узлах движения искусственных суставов и в парах трения с цементной мантией, что исключает развитие полиэтиленоза, металлоза, обеспечивает низкофрикционную работу узлов подвижности, продлевает сроки выживаемости эндопротезов.
2. Коэффициент трения уменьшается.
3. Практически исключает разрушение и истирание поверхностных слоёв при трении с высокой контактной нагрузкой.
4. Повышение эрозионной стойкости — ВИПА, особенно в сочетании с дополнительным нанесением нитрида титана, повышает эрозионную стойкость.
5. Сохранение размеров и чистовых параметров в допусках конструкторской документации, что исключает дополнительную механическую обработку упрочнённых изделий [4, 5, 7].

К недостаткам можно отнести:

1. Изменение микрогеометрии поверхности в процессе азотирования при повышенных температурах, что исключает применение такой обработки в качестве финишной для готовых деталей. Одним из основных условий работы компонентов в узлах трения является высокая чистота поверхности.
2. Образование оксидных (оксинитридных) слоёв — это может нивелировать влияние азотирования на эрозионную стойкость, особенно если поверхность уже упрочнена за счёт наклепа при механической шлифовке.
3. Остаются открытыми вопросы надёжности изделий с азотированным поверхностным слоем при длительной эксплуатации [5, 7].

Термодиффузионное насыщение азотом из газовой среды имеет следующие положительные характеристики изделия:

1. Создание азотосодержащих «альфированных» слоёв на поверхности титановых сплавов. Это повышает износостойкость компонентов эндопротезов из титановых сплавов в узлах движения искусственных суставов и в парах трения с цементной мантией.
2. Формирование нитридных покрытий на поверхности, которые обладают высокой износостойкостью. Например, после азотирования при 550°С формируется плотный практически беспористый слой нитрида титана, а увеличение температуры азотирования до 600°С — появление на поверхности пор размером 1–2 мкм.
3. Комплексное упрочнение — для медицинских изделий размерностью в миллиметры и менее (винты, специальные проволоки и др.) термодиффузионное азотирование позволяет обеспечить объёмное легирование титановых сплавов азотом, что повышает прочностные свойства [4, 5].

К недостаткам можно отнести:

1. Изменение структуры в объёме изделия при проведении термодиффузионного насыщения при повышенных температурах, что может ухудшить комплекс механических свойств.
2. Изменение микрогеометрии поверхности в процессе азотирования при повышенных температурах, что исключает применение такой обработки в качестве финишной для готовых деталей, так как одним из основных условий работы компонентов в узлах трения является высокая чистота поверхности.
3. Низкая адгезионная прочность конденсационных нитридных покрытий, что часто приводит к их отслоению в процессе эксплуатации готовых изделий. Кроме того, нанесение на «мягкий» титан очень твёрдого нитридного покрытия может привести к появлению эффекта «яичной скорлупы» — растрескиванию покрытия при эксплуатации.
4. Образование «капельной фазы» на поверхности при формировании нитридного покрытия, что существенно увеличивает её шероховатость [4].

Таким образом можно прийти к выводу, что азотирование улучшает триботехнические характеристики имплантатов: износостойкость, коррозионную стойкость, способствует понижению коэффициента трения, а также повышению прочности. Стоит отметить, что основными недостатками азотирования является малая толщина азотированного слоя (обычно не более 0,4–0,6 мм), что способствует ограниченной износостойкости и снижению длительности работы изделия.

Список литературы:

1. Зинченко В. М. Азотирование // Большая российская энциклопедия: научно-образовательный портал – URL: https://bigenc.ru/c/azotirovanie-038982/?v=7830990. – Дата публикации: 21.11.2022. – Дата обновления: 17.07.2023
2. Азотирование металла // Цифровой центр оработки металла URL: https://metall.world/service/azotirovanie-metalla (дата обращения: 13.01.2025).
3. Бибиков П. С. Влияние газотермических процессов азотирования на структуру и свойства высоколегированных коррозионностойких сталей авиационного назначения // МАИ. 2022. URL: mai.ru/upload/iblock/174/9q4k93c8apaymtwhwecx0aj3wpkgmxh7/Bibikov-P.-S.-VLIYANIE-GAZOTERMOTSIKLICHESKIKH-PROTSESSOV-AZOTIROVANIYA-NA-STRUKTURU-I-SVOYSTVA-VYSOKOLEGIROVANNYKH-KORROZIONNOSTOYKIKH-STALEY-AVIATSIONNOGO-NAZNACHENIYA.pdf
4. Орлов А.А. Влияние термической и вакуумной ионноплазменной обработок на структуру и свойства полуфабрикатов и изделий из сплавов медицинского назначения: дис. канд. техн. наук: 2.6.1. - М., 2022. - 163 с.
5. А.М. Мамонов, В.С. Спектор, Е.А. Лукина, С.М. Сарычев. Применение вакуумного ионно-плазменного азотирования для повышения износостойкости медицинских имплантатов // Титан. - 2010. - №2. - С. 23-30.
6. Хусаинов Юлдаш Гамирович, Агзамов Рашид Денисламович, Николаев Алексей Александрович, Лапицкий Дмитрий Робертович Низкотемпературное ионное азотирование титанового сплава ВТ6 в ультрамелкозернистом состоянии // Вестник УГАТУ = Vestnik UGATU. 2018. №3 (81). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/nizkotemperaturnoe-ionnoe-azotirovanie-titanovogo-splava-vt6-v-ultramelkozernistom-sostoyanii (дата обращения: 14.01.2026).
7. Пожога В.А. Закономерности формирования структуры, технологических и механических свойств сплава на основе алюминида титана при термоводородной обработке: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.16.01. - М., 2017. - 22 с.